§ 5. Открытие новых элементарных частиц.

В 1947 г. Г. Рочестер и С. Батлер при изучении космических лучей обнаружили в камере Вильсона расходящиеся из одной точки в виде буквы V следы частиц, Было очевидно, что они рождались при распаде каких-то неизвестных частиц, которые нейтральны и следов не оставляли·

Позднее эти новые частицы были обнаружены и другими исследо-вателями. Одна из них примерно вдвое легче протона и была названа к-мезоном, или каоном; другая, несколько тяжелее протона, получила название Л-частицы (ламбда).

В течение последующих восьми лет к ним присоединились заряженные каоны, а также два новых вида тяжелых частиц: E-частицы (сигма) и #-частицы (кси), E- и #-частицы, как и Л-частица, оказались тяжелее протона и получили общее название гиперонов.

Открытие каонов и гиперонов было совершенно неожиданным, и они получили название странных частиц. Их роль в строении вещества неясна, хотя очевидно, что все они участвуют в ядерных взаимодействиях· Странные частицы обладают рядом «загадоч-

ых» свойств, например имеют неожиданно большое с точки зрения еории время жизни·

Элементарные частицы образуются при столкновениях частиц ысоких энергий с другими частицами· Долгое время такие столк-:овения можно было наблюдать только в космических лучах, которые были единственным источником частиц высоких энергий· В космических лучах и было открыто большинство элементарных частиц.

В настоящее время для изучения элементарных частиц используются ускорители протонов и других заряженных частиц. На крупнейшем Серпуховском ускорителе получают пучок протонов с энергией 76·10^3 МэВ, а также пучки других частиц (пионов, каонов и др.) с энергией до 60· 10^3 МэВ. Строятся гигантские ускорители, расчитанные на получение энергий порядка 10^6 МэВ·

В середине 50-х годов была открыта еще одна разновидность мезонов, n-м е з о н (эта), и самая тяжелая частица - Q-гиперон (омега).

В 1961-1962 гг экспериментально было доказано существование угорого типа нейтрино - мюонного нейтрино, получив-иего обозначение Vu; электронное нейтрино стали обозначать Ve.

Мюоны образуются вместе со своим нейтрино при распаде заря-женных пионов.

Мюонное нейтрино (Vu) и антинейтрино (Vu) очень похожи по :воим свойствам на 5лектронное нейтрино (Vе) и антинейтрино (Vе), аднако опыты показали, что это различные частицы·

Удивительным свойством мюона, которое пока не получило эбъяснения, является его полное сходство с электроном во всем, кроме массы: мюон в 207 раз тяжелее электрона, Этот «тяжелый электрон» может даже на некоторое время занимать место электрона в атоме, вращаясь цо очень близко расположенной к ядру орбите·

При распаде мюонов образуются электроны и позитроны и два нейтрино — электронное и мюонное.

§ 6. Классификация элементарных частиц.

Важнейшим об-щим свойством элементарных частиц является их способность к взаимному превращению· При распаде частиц одни частицы исче-зают, другие рождаются, Взаимное превращ,ение частиц происходит и при столкновениях двух частиц высоких энергии. Например, два протона, столкнувшись, могут превратиться в другие частицы:

Р+Р->-р+п+л+, р+р->-р+-Л-К.

Во всех превращениях частиц выполняется закон сохранения полной энергии, включающей энергию, соответствующую массам покоя, и кинетическую энергию частиц, причем эти энергии могут переходить друг в друга.

При самопроизвольном распаде частицы суммарная масса покоя образующихся частпц меньше массы покоя распавшейся частицы, а энергия, соответствующая этой разности масс покоя, превраща-ется в кинетическую энергию частиц — продуктов распада.

При столкновении двух частпц возможно обратное превращение энергии· В приведенных выше примерах масса покоя рождающихся частиц больше массы покоя двух сталкивающпхся протонов за счет их кинетической энергии·

Два протона, столкнувшись, могут породпть пион:

Р+Р->Р+р+л^9,

если их кинетическая энергпя при столкновении превышает энер-гию, соответствующую массе покоя пиона· Этот пример особенно нагляден, поскольку сохраняются исходные частицы и образуется новая,

При превращениях частиц, кроме закона сохранения полноп энергии, выполняются законы сохранення заряда, количества дви-жения·

Известные в настоящее время элементарные частицы прнведены в табл· 38.1. Важнейшей характернстикой частицы является ее масса, которая отражает инертные и гравитационные свойства ча-стицы и определяет пмеющийся в ней запас энергии. Легчайшей частицей, обладающей массой покоя, является электрон (0,511 МэВ),

Большннство частиц обладает спином, т· е, собственным момен-том колнчества движения· Можно представить, что они, наподобие волчка, вращаются вокруг собственной оси· Спий частицы каждого вида имеет строго определенное значение,; если спин фотона принять за единицу, то все частицы нмеют спин 0,1/2 или 1 (кроме гнперона Q-, спин которого равен 3/2).

Некоторые частицы нейтральны, другие обладают положитель-ным нли отрицательным электрическим зарядом, равным по величн-не заряду электрона, Заряд входит в обозначение всех заряженных частиц, кроме протона,

Почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном со-стоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не нмею-щие массы покоя (фотон и нейтрино). Остальные частицы самопроиз-вольно распадаются, и все, кроме нейтрона, имеют очень непродол-жительное среднее время жизни.

Элементарные частицы делятся начетыре класса:

1) ф о т о н ы (Y-кванты); фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1;

2) лептоны — легкие частицы, у лептонов спин равен 1/2;

3) м е з о н ы — промежуточные частицы; спин мезонов равен 0;

4) барионы — тяжелые частицы; самый легкий барион — протон; у всех барионов, кроме Q-частицы, спин равен 1/2.

Частицы различных классов отличаются не только массой и значением спина. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют.

У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохране-ния числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает протон стабильным: он самый легкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона. Законы сохранения числа барионов и числа лептонов многократно проверены на опыте.

У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется, и они могут возникать и исчезать в любом количестве.